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      骨科機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展分析

      2022-11-25 17:57:40郝寶喜天津市第四中心醫(yī)院骨二科天津300140
      中國醫(yī)療器械信息 2022年19期
      關(guān)鍵詞:骨科脊柱微創(chuàng)

      郝寶喜 天津市第四中心醫(yī)院骨二科 (天津 300140)

      內(nèi)容提要: 醫(yī)學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下,逐漸向智能化、精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化方向發(fā)展,骨科機(jī)器人的出現(xiàn),為骨科手術(shù)發(fā)展開辟了新道路,衍生出更多新穎的治療理念及治療方案。在骨科治療中應(yīng)用機(jī)器人,為解剖結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的眾多骨科疾病,提出了非常多精準(zhǔn)化、智能化且個體化的治療方案,骨科機(jī)器人目前的主要應(yīng)用范圍如關(guān)節(jié)置換手術(shù)、脊柱微創(chuàng)手術(shù)、創(chuàng)傷骨折手術(shù)等,規(guī)避了傳統(tǒng)手術(shù)方案的不足,大大提高了手術(shù)效率和效果。

      近年來,隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展,手術(shù)機(jī)器人在臨床上的應(yīng)用和優(yōu)勢逐漸凸顯,骨科機(jī)器人作為機(jī)器人的一種,在精確性和可重復(fù)性上具有巨大的優(yōu)勢。1985年,一名加拿大醫(yī)生(Kwoh)第一次應(yīng)用PUMA560型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行腦腫瘤活檢手術(shù),這是世界上機(jī)器人在外科手術(shù)中應(yīng)用的第一例,之后各種結(jié)構(gòu)、各種用途的機(jī)器人相繼誕生,但因功能或結(jié)構(gòu)等方面的局限性,當(dāng)時在骨科手術(shù)中的應(yīng)用情況較少[1]。1992年,機(jī)器人第一次用于骨科手術(shù),至今已可以將骨科機(jī)器人分為三種類型:①主動型;②半主動型;③被動型[2]。骨科醫(yī)師在手術(shù)方面,不斷追求智能性、微創(chuàng)性以及精準(zhǔn)性,骨科機(jī)器人利用多種先進(jìn)技術(shù),例如電子信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動化技術(shù)等,幫助骨科醫(yī)師在視覺方面、觸覺方面,所涉范圍都進(jìn)一步擴(kuò)大,進(jìn)而手術(shù)可獲得更加安全、精準(zhǔn)的效果,并且實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)性操作,既往難以完成的復(fù)雜高風(fēng)險手術(shù)也可在機(jī)器人輔助下完成[3]。目前骨科機(jī)器人已經(jīng)用于多個領(lǐng)域,如骨腫瘤、脊柱外科、關(guān)節(jié)外科等,慢慢改變了傳統(tǒng)局限性較大的診療模式,為骨科手術(shù)治療開辟了一條新道路?,F(xiàn)將從骨科手術(shù)的難點(diǎn)、國內(nèi)骨科機(jī)器人的分類、應(yīng)用現(xiàn)狀等方面展開充分的分析總結(jié),報告如下。

      1.骨科手術(shù)難點(diǎn)

      醫(yī)療機(jī)器人屬于新型交叉研究領(lǐng)域,集合了數(shù)學(xué)分析、計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)、材料學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支即為骨科機(jī)器人[4]。21世紀(jì)后,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度發(fā)生了非常大的提升,交通業(yè)、建筑業(yè)等在快速發(fā)展的同時,也間接地提高了骨科疾病發(fā)生率,且疾病類型日益復(fù)雜化,傳統(tǒng)骨科手術(shù)已無法適應(yīng)時代的發(fā)展,需提供一些更加新穎的治療方式和理念[5]。骨科手術(shù)難點(diǎn)是手術(shù)操作者的視野、空間均存在很大局限性,可能導(dǎo)致誤傷,微創(chuàng)手術(shù)經(jīng)多次的X射線透視觀察,能一定程度上縮小局限性,但是X射線透視會產(chǎn)生大劑量輻射,危害醫(yī)護(hù)人員身體健康,并且微創(chuàng)手術(shù)無法實(shí)現(xiàn)重要神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)的直視觀察,潛在風(fēng)險比較大[6]。骨科機(jī)器人問世后,發(fā)揮了微創(chuàng)精準(zhǔn)定位、規(guī)劃模擬以及手術(shù)導(dǎo)航等功能,利于醫(yī)生的手術(shù)操作和決策判斷,手術(shù)精準(zhǔn)度大大提高,減少損傷、并發(fā)癥的同時,手術(shù)放射線輻射污染減少,手術(shù)成功率大大提高。

      2.骨科機(jī)器人分類

      以國內(nèi)為例,雖然發(fā)展起步時間較國外更晚,但是也不斷有新的突破,目前,北京積水潭醫(yī)院、中國人民解放軍總醫(yī)院、第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu),再加上哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空大學(xué)等科研機(jī)構(gòu),都致力于骨科機(jī)器人的研究和使用。將其分為如下兩類:①遙控型脊柱機(jī)器人。第一個遙控型脊柱機(jī)器人是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合周躍教授(任職于第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院骨科)研發(fā),共六個自由度,目前將其用于脊柱微創(chuàng)手術(shù)中置入椎弓根螺釘,因尖端夾持氣鉆,可實(shí)現(xiàn)遙控完成打孔操作,縮短術(shù)者術(shù)中輻射暴露時間,但因無法結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng),使其臨床應(yīng)用備受限制[7]。②導(dǎo)航輔助機(jī)器人?!疤飙^”手術(shù)機(jī)器人在2016年的年底獲得國家Ⅲ類醫(yī)療器械資格證,能夠用于四肢手術(shù)中、骨盆手術(shù)中、脊柱全節(jié)段手術(shù)中。北京積水潭醫(yī)院等眾多單位,曾經(jīng)進(jìn)行了關(guān)于計算機(jī)導(dǎo)航下長骨干骨折的研究,研發(fā)出骨折復(fù)位機(jī)器人,所涉范圍包括骨盆骨折、股骨骨折等。

      3.骨科機(jī)器人的應(yīng)用

      3.1 脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人

      作為人體比較復(fù)雜的一個運(yùn)動系統(tǒng):脊柱,其不僅存在復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu),而且毗鄰重要神經(jīng)和血管組織,例如靜脈叢、椎動脈、脊髓等[8]。傳統(tǒng)的脊柱外科手術(shù)術(shù)中視野存在很大局限性,此外患者本身存在較多不確定因素,常出現(xiàn)手術(shù)精準(zhǔn)度低、創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多等問題,微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)需要術(shù)者具有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和高超的操作技術(shù),可能因操作疲勞影響手術(shù)效果,并且無法避免輻射問題,脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人的應(yīng)用,對于術(shù)者來說,手術(shù)學(xué)習(xí)曲線較短,很大程度上規(guī)避了傳統(tǒng)手術(shù)、微創(chuàng)手術(shù)存在的一些問題[9]。脊柱微創(chuàng)骨折機(jī)器人結(jié)合了自動化技術(shù)以及先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù),目前制造技術(shù)比較成熟的屬法國Medtech醫(yī)療公司,其所研制的ROSA Spine,還有以色列Mazor公司,其研制的Spine Assist/Renaissance,目前均已獲得美國FDA、歐洲CE的雙重認(rèn)證。Renaissance目前主要應(yīng)用在脊柱外科手術(shù)中椎弓根螺釘術(shù)、經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定術(shù),屬于Spine Assist升級版,二者均可大大提高椎弓根螺釘置入的精準(zhǔn)性,我國在2014年將其引入[10]。目前已有研究對其實(shí)際使用效果進(jìn)行了研究評價,得出結(jié)論如下:機(jī)器人輔助下的手術(shù)時間大大縮短,醫(yī)護(hù)人員射線暴露時間也縮短,置釘準(zhǔn)確率提高,術(shù)中出血量減少。國內(nèi)骨科機(jī)器人的研究起步時間相較于國外更晚,目前已有多個單位致力于脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人的研究[11,12]。第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院聯(lián)合中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)脊柱微創(chuàng)骨科機(jī)器人,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院聯(lián)合多家機(jī)構(gòu)一同研發(fā)的RSSS,雖然都在國內(nèi)處于領(lǐng)先的水平,但是還未大規(guī)模投入使用[13]。目前的“天璣”骨科機(jī)器人是我國頂尖水平,精準(zhǔn)度甚至已經(jīng)達(dá)到了國際的領(lǐng)先水平。謝海清等[14]在《骨科機(jī)器人輔助與傳統(tǒng)透視下經(jīng)皮椎體成形術(shù)治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的比較》研究中,選擇180例骨質(zhì)疏松行椎體壓縮性骨折患者為研究對象,分為兩組,一組利用C型臂透視輔助下完成經(jīng)皮椎體成形術(shù)(對照組),另一組應(yīng)用“天璣”骨科機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)皮椎體成形術(shù),結(jié)果顯示,觀察組于手術(shù)時間、住院時間、骨水泥灌注量、穿刺內(nèi)傾角度方面,均優(yōu)于對照組,兩組術(shù)后第1天、術(shù)后1周、術(shù)后1個月的疼痛評分、功能障礙指數(shù)都低于術(shù)前,傷椎Cobb角和術(shù)前無較大差異,骨水泥滲漏情況對照組發(fā)生15例,觀察組發(fā)生4例,總體而言,兩種手術(shù)方式的療效都較好,但應(yīng)用“天璣”骨科機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)皮椎體成形術(shù)可提高手術(shù)效率,減少骨水泥滲漏情況發(fā)生,具有良好的應(yīng)用前景。

      3.2 創(chuàng)傷骨科機(jī)器人

      按照功能來劃分,可將創(chuàng)傷骨科機(jī)器人分為兩種類型,第一種是定位機(jī)器人,第二種是復(fù)位機(jī)器人。其中,定位機(jī)器人的主要特點(diǎn)是微創(chuàng)、定位精準(zhǔn),常用于骨盆髖臼損傷的微創(chuàng)螺釘內(nèi)固定術(shù)、股骨頸骨折空心螺釘內(nèi)固定術(shù)、髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)等方面,電磁導(dǎo)航髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端瞄準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用于臨床,能夠?qū)⑿g(shù)中髓內(nèi)釘、瞄準(zhǔn)器位置通過三維動畫的方式展示出來,大大減少射線暴露,縮短手術(shù)時間。目前,我國自主研發(fā)的GD2000骨科機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)用于股骨頸骨折手術(shù),可明顯縮短手術(shù)時間,減少術(shù)中透視次數(shù)。骨折復(fù)位機(jī)器人目前臨床實(shí)際應(yīng)用較少,國內(nèi)外的發(fā)展速度都比較慢,原因在于復(fù)位阻力、復(fù)位前后骨塊位置的變化以及術(shù)中意外傷害等原因,增加了其研發(fā)難度。

      3.3 關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人

      第一次行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)、單髁膝關(guān)節(jié)置換術(shù)、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)三種類型的手術(shù),都可應(yīng)用關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人,分為三類系統(tǒng):①主動式骨科手術(shù)機(jī)器人結(jié)合術(shù)前規(guī)劃,機(jī)器人對擴(kuò)髓、截骨等操作的指揮,自主完成手術(shù),為最先進(jìn)的一類骨科機(jī)器人,我國目前還處于研發(fā)階段,國外研發(fā)技術(shù)已經(jīng)比較成熟;②被動式骨科機(jī)器人無術(shù)中操作功能,主要代表計算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng);③半主動式骨科機(jī)器人于計算機(jī)模擬、規(guī)劃之后,再由手術(shù)操作者經(jīng)觸覺反饋系統(tǒng)來操控機(jī)械臂,于機(jī)器人規(guī)范區(qū)間內(nèi)完成假體安置操作,這類機(jī)器人目前應(yīng)用比較多[15]。

      3.3.1 膝關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人

      膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)成功的關(guān)鍵條件在于截骨是否精確、假體是否合適、下肢力線重建情況、軟組織平衡情況,利用膝關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人,于術(shù)前規(guī)劃構(gòu)建骨骼模型,將假體的大小、截骨量、截骨角度等均精準(zhǔn)計算出來,相對于傳統(tǒng)手術(shù),該手術(shù)方法可實(shí)現(xiàn)下肢力線和關(guān)節(jié)對位趨于正常生物力學(xué),但是也可能因定位針移位或者是骨水泥技術(shù)等而影響到下肢力線重建效果,目前相關(guān)研究僅局限于短期療效的評價層面,長期隨訪還有待進(jìn)一步收集病例完成研究。

      3.3.2 全髖關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人

      全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)后假體是否穩(wěn)定,假體壽命長短,和假體位置、周圍軟組織平衡性有關(guān),全髖關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人的使用,可促進(jìn)假體和骨皮質(zhì)連接更加緊密,且安置更加精準(zhǔn),并且于髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)解剖精準(zhǔn)度方面,有很大潛力,目前我國全髖關(guān)節(jié)置換骨科機(jī)器人還處于探索期。

      4.骨科機(jī)器人應(yīng)用問題

      雖然骨科機(jī)器人為骨科手術(shù)治療開辟了新途徑,但是也不可忽視其所存在的系列問題,例如自身缺陷、用途單一、成本昂貴等問題,手術(shù)室的空間有限,而機(jī)器人大多體積龐大,需要較長時間來安裝調(diào)試,再加上系統(tǒng)技術(shù)比較復(fù)雜,若出現(xiàn)故障后處理的難度比較大,目前為止,大部分骨科機(jī)器人都只適用于一種手術(shù)類型,或者是適用于多種復(fù)雜手術(shù)類型,但只針對其中的一個步驟,功能相對單一,此外,系統(tǒng)定期維護(hù)、專利保護(hù)等問題,增加了其購置成本。

      5.對骨科機(jī)器人的展望

      就目前而言,我國醫(yī)療研究中主要矛盾依舊是以醫(yī)生為主,其醫(yī)療資源供給遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足患者的增長速度,這也在一定程度上導(dǎo)致我國醫(yī)療行業(yè)對骨科機(jī)器人的依賴性較大,其需求也有所增加。對現(xiàn)有骨科手術(shù)機(jī)器人而言,無論脊柱外科、關(guān)節(jié)骨科還是創(chuàng)傷骨科機(jī)器人,能夠解決的問題主要以定位、骨切除、復(fù)位動作操作為主,以替代醫(yī)師體力和不精確操作。再者,臨床數(shù)據(jù)也是對骨科機(jī)器人發(fā)展的基石,如何將大數(shù)據(jù)變得更直觀化,并在后期轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ眯怨ぞ呤种匾?。骨科機(jī)器人系統(tǒng)相對人類手動統(tǒng)計而言,更有收集數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的能力,但無法做出恰當(dāng)?shù)臎Q策,因此,骨科機(jī)器人系統(tǒng)依舊只能充當(dāng)醫(yī)生的工具及助手,最終的決策能力依舊在醫(yī)生手上。對于未來的骨科機(jī)器人,還應(yīng)開發(fā)出更多不同深度學(xué)習(xí)算法之間的移植和優(yōu)化,還可對骨科機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新和突破,研究出更智能、更人性化的骨科機(jī)器人。

      6.小結(jié)

      骨科機(jī)器人已不止數(shù)十年的發(fā)展歷程,其應(yīng)用潛力很大,但也存在局限性,聯(lián)合超聲技術(shù)、電磁技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、自動化技術(shù)、智能化控制技術(shù)等,獲取準(zhǔn)確的定位信息,完成多目標(biāo)監(jiān)控導(dǎo)航,幫助骨科手術(shù)走向更高的臺階,相信在不就的將來,對骨科機(jī)器人進(jìn)行改良優(yōu)化,并同時研發(fā)出功能更強(qiáng)大的型號,可為骨科疾病治療帶來質(zhì)的改變。

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